KR920006807B1

KR920006807B1 - Al_2O_3-TiC계 절삭공구 소결체의 제조방법

Info

Publication number: KR920006807B1
Application number: KR1019900002362A
Authority: KR
Inventors: 송한식; 유영혁
Original assignee: 쌍용양회공업 주식회사; 우덕창
Priority date: 1990-02-24
Filing date: 1990-02-24
Publication date: 1992-08-20
Also published as: US5213731A; JPH03247554A; KR910015509A

Abstract

내용 없음.

Description

Al2O3-TiC계 절삭공구 소결체의 제조방법

본 발명은 Al₂O₃-TiC계 절삭공구 소결체의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 소결체를 그 주원료로 사용되는 TiC 분말의 입자표면에 TiO₂피복층을 형성시켜서 제조하므로써 소결온도를 저하시킬 수 있고, 소결체의 강인성, 기계적 강도, 내마모성 및 내열충격성이 우수하게 되어 절삭공구의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 Al₂O₃-TiC계 절삭공구 소결체의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 세라믹 절삭공구는 강이나 주철을 고속으로 절삭할 수 있고, 기존의 초경 절삭공구에 비해서 내마모성이 우수하기 때문에 세라믹절삭공구가 개발된 이후에 큰 호평을 받고 있으나, 그 나름대로 취약한 특성을 갖고 있기 때문에 공구로서의 사용신뢰성이 적어 현재는 그것의 시장 점유율이 전체 절삭공구중 5% 정도에 지나지 않고 있으므로 아직도 개발의 여지가 많다하겠다.

이에 따라, 최근 Al₂O₃-TiC계(이하 "AT계"라 한다) 절삭공구가 종래의 이러한 인성결핍 및 신뢰성 저하의 문제를 극복하므로써 공구재료로서 많은 각광을 받고 있으나, 이 AT계 절삭공구는 고온소결등을 필요로 하는 난(難)소결성 소재를 근간으로 하고 있기 때문에 제조공정상의 높은 단가와 공정의 복잡성등에 문제가 있었다.

이와 같은 AT계 소결체에 대해서는 현재 많은 연구가 활발히 진행되고 있으나, 소결과정에서 소결체의 주성분인 Al₂O₃와 TiC간의 계면반응에 의해 발생되는 Al₂O₃중의 O₂와 CO등의 기체로 인해 소결체 내부에 기공이 형성되어 소결체의 기계적 특성을 저하시키게 되고, 또한 Al₂O₃에 비해 TiC가 난(難)소결성을 나타내므로 소결체의 완전한 치밀화가 어려웠다. 이와 같은 난소결성의 성질 때문에 통상적으로 열압축(Hot-Pressing)방법이나, 소결-HIP(Hot Isostatic Pressing After sintering)방법 또는 1800℃이상의 고온으로 급승온하는 방법, 또는 Y₂O₃등의 소결보조제를 첨가시키는 방법으로 제품을 생산하곤 하였다.

그러나, 열압축방법은 일축가압에 의해 소결체를 제조하기 때문에 소결체 형상을 다양화하는데 많은 제약이 있고 대량생산에도 적합치 못하였다.

또한, 온도를 고온으로 급격하게 상승시켜야 하기 때문에 소결체가 열충격을 받아서 변형이 일어나게 되거나 깨어지는 경우도 발생하게 되며, 더우기, 불균일한 가열로 인하여 휨현상이나 소결체 표면에서의 휘발등으로 치밀한 소결체를 제조하는 것은 상당히 어려웠다.

이와 같은 점을 감안하여 일본특공 소 49-1444호에서는 소결체의 주성분에 NiO와 MgO등의 소결보조제를 첨가하여, Al₂O₃의 입자성장을 억제시키고 Al₂O₃와 TiC간의 결합력도 증진되도록 하여 강도가 저하되는 것을 방지하였으며, 일본특공 소 56-140066호에서는 MgO, NiO, Cr₂O₃를 소결보조제로 첨가하여 어느정도 치밀한 소결체를 얻는 방법을 제시하고 있으나, 이와 같은 방법으로 제조된 소결체들은 Al₂O₃의 결정입자가 크게 성장하게 되어 절삭 공구의 요구특성인 기계적 강도, 강인성 등을 저하시키는 단점이 있었다.

한편, 일본특공 소 51-569호, 소 62-45194호, 소 64-1430호 및 일본특개 소 54-103407호 등에서는 소결보조제로 TiO₂분말을 첨가혼합하여 치밀한 소결체를 제조하여 습윤성과 결합강도를 향상시키긴 하였으나, TiO₂, TiC 및 TiCO가 소결체 내부에서 불균질하게 혼재되어 있어 고속으로 절삭할때 발생하게 되는 고온의 열충격에 의해 깨지기 쉬운 문제점이 있었다.

이에 본 발명자들은 종래의 이러한 문제점들은 Al₂O₃와 TiC의 입계면에서 발생하는 계면반응에 있다는 사실을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

즉 발명은 AT계 절삭공구에 사용되는 소결체를 그 주원료로 사용되는 TiC 분말의 입자표면에 TiO₂피복층을 형성시켜서 제조하므로서 소결온도를 저하시킬 수 있고, 절삭공구의 기계적인 특성인 강인성, 기계적 강도, 내마모성, 내열충격성을 우수하게 하는 Al₂O₂-TiC계 절삭공구 소결체를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 Al₂O₃, TiC 및 Y₂O₃의 혼합원료를 분쇄한 후 소결처리하여 Al₂O₃-TiC계 절삭공구 소결체를 제조하는데 있어서, 미분쇄된 Al₂O₃, TiC 및 Y₂O₃의 혼합분말을 N₂+O₂의 혼합기체로 이루어진 산화분위기속에서 200 내지 500℃의 온도범위에서 0.5내지 2시간동안 처리하여 TiC 분말표면에 TiO₂피복층을 형성시킨 다음, 이들을 Ar 분위기속에서 1600℃ 내지 1850℃의 온도로 소결처리하여서 되는 Al₂O₃-TiC계 절삭공구 소결체를 제조하는 방법인 것이다.

또한, 본 발명은 N₂+O₂의 혼합기체로 이루어진 산화분위기 속에서 TiC 분말을 200 내지 500℃의 온도범위로 0.5 내지 2시간동안 처리하여 TiO₂피복층이 형성된 Ti 분말을 Al₂O₃-TiC계 절삭공구 소결체를 제조하는 방법인 것이다.

본 발명에 따른 TiC 분말 표면에 균일하게 피복생성된 TiO₂는 Al₂O₃와 TiC와의 균일한 소결반응 효과를 나타내며, 이들의 계면반응을 억제하게 되고, TiO₂를 첨가시킨 효과도 나타내게 되므로, 소결온도를 저하시키는 효과는 물론 Al₂O₃의 결정입자성장도 억제시킬뿐 아니라 소결체의 기계적 강도와 내마모 내열충격성을 증가시키게 되어 고속절삭에 사용되는 절삭공구에 특히 유용한 효과가 있다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 알여진 Al₂O₃-TiC의 계면반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

Al₂O₃(S)+2C(S)=Al₂O(g)+2CO(g)

Al₂O₃(S)+TiC(S)=Al₂O(g)+TiO(S)+CO(g)

Al₂O₃(S)+2/3 TiC(S)=Al₂O(g)+2/3 TiO₂(S)+2/3 CO(g)

Al₂O₃(S)+C(S)=Al₂O₂(g)+CO(g)

Al₂O₃(S)+C(S)=2AlO(g)+CO(g)

여기서 S는 고상(solid phase), g는 기상(gas phase)을 의미한다.

상기 반응식에서 기체를 발생시키는 주요물질은 Al₂O₃와 TiC 또는 C인데, 이때 발생되는 기체로 인해 소결체 내부에 기공이 생겨 소결체의 기계적 특성 즉, 강도, 인성, 내마모성 및 내열충격성 등이 저하되어 높은 열이 발생하는 고속절삭에 사용할 수 없는 단점이 있었다. 따라서, 본 발명에서는 위와 같이 기체발생에 의한 기공 발생을 방지하기 위해서 TiC 분말을 200 내지 500℃의 산화분위기에서 산화처리하여 TiO₂피복층을 형성시킴으로써, Al₂O₃-TiC 성형체 소결시 두 물질간의 반응에 의해 생성되는 기체발생을 방지하게 되었다.

즉, 본 발명에 따라 제조되는 TiC 표면에 피복된 TiO₂는 Al₂O₃와 TiC의 입계면에서 작용하여 소결온도를 낮추는 소결보조제로 작용하여 Al₂O₃-TiC 셩형체의 내마모성, 내열충격성 등의 기계적 강도를 크게 증가시키게 된다.

그리고 일본특공소 51-569호, 소 64-1430호 등과 같이 TiO₂분말을 단독 첨가하는 것보다 혼합효과가 더욱 커서 Al₂O₃와 TiC간의 결합강도를 향상시켜 절삭공구의 내마모성 증진과 수명을 길게 유지시켜 주게 된다. 또한, TiO₂분말 단순첨가로 제조된 소결체의 단점인 고속 절삭시에 발생되는 약 1300℃ 높은 열충격에 의해 절삭공구가 깨어지는 현상에 대해서, 본 발명에서는 TiO₂가 피복된 TiC 분말을 Al₂O₃와 Y₂O₃와 혼합제조함으로써 소결측진효과와 결정입자의 성장억제 및 내열충격성, 내마모성 등의 기계적 강도 특성이 우수한 AT계 절삭공구를 제조할 수 있게 된다.

상기와 같은 효과가 발생하는 이유를 설명하면 다음과 같다. 즉, TiC 분말 표면에 피복된 TiO₂는 고경도재인 TiC의 특성을 이용하고, 표면층만 TiO₂로 되어 있어 Al₂O₃와 TiC의 결합촉진과 기공발생을 없게 해주어 기계적 강도, 내마모성 등을 향상시키게 된다. 그리고, 절삭공구로 사용시 가장 가혹한 조건인 고속절삭시 발생되는 1300℃ 정도의 고열에 의해 결정입자들간의 변형, 깨짐으로 인한 절삭공구의 파손을 본 발명의 TiO₂피복층이 Al₂O₃와 TiC 결정입자들을 이어주는 강고한 가교역할을 하게 되어 내열충격성을 우수하게 하므로 절삭능력이 뛰어나고 수명도 종전것 보다 약 1.5배 증가시키는 결과를 나타내게 된다.

그리고, TiO₂피복층은 고속 절삭시 TiC와 금속 절삭체와의 반응을 부분적으로 억제하여 내열충격성 및 절삭능력 상승에도 큰 효과를 발휘하게 된다.

한편, 본 발명에 사용되는 Al₂O₃, TiC, Y₂O₃을 80∼20 : 20∼80 : 0.1∼2중량%로 혼합된 분말은 각각 0.1 내지 2μ㎜사이의 미세분말로 혼합시 알코올을 혼합용매로 하여 24 내지 48시간동안 WC단지(Jar)에서 혼합 및 분쇄를 실시한다.

이렇게 혼합된 슬러리를 케이크(cake)상으로 건조시킨 후, TiC 입자표면을 균질하게 TiO₂로 피복시키기 위해 0.1 내지 100㎛으로 미분쇄시킨다. 이 분말을 TiO₂피복처리에 적재하여 N₂+O₂의 혼합기체를 흘려주면서 200 내지 500℃에서 0.5 내지 2시간동안 산화처리하여 TiC 표면을 얇게 산화시켜 TiO₂피복층을 형성시킨다. 이때 또한 상기와 같은 조건인 N₂+O₂혼합기체 산화분위기의 200 내지 500℃ 온도에서 0.5 내지 2시간동안 TiC 미분말만을 산화처리하여 TiO₂피복층이 형성된 TiC 분말을, Al₂O₃: TiC : Y2O3가 80∼20 : 20∼80 : 0.1∼2중량%로 함유되도록 첨가시켜도 같은 효과를 나타내게 된다.

이때, TiO₂피복층을 형성시키는 최적조건은 TiC 분말 입자크기에 따라 다르지만 평균입경이 1 내지 5㎛에서의 최적조건을 350℃에서 1시간 처리하였을 때 가장 안정하고 균질한 TiO₂피복층을 얻을 수 있다.

이때 혼합기체의 유량은 0.2 내지 0.4 ℓ / min·ℓ로 한다. 그리고, 상기와 같이 하소된 분말은 성형공정을 거쳐 Ar 분위기속에서 소결을 실시하게 되는데, 이때 소결온도는 1600 내지 1850℃이며, 소결시간은 30 내지 1시간으로 하는 것이 바람직하다.

한편, AT계 절삭공구에서는 소결체의 입자크기에 따라 인성이 달라짐으로써 현장적용시 절삭능력에 큰 영향을 주게 된다. 즉, 소결온도가 높아질수록 소결체의 입자크기가 커지게 됨에 따라 본 발명에서는 입자크기를 미립화시키는 동시에 충분히 이론밀도에 도달하는 치밀한 소결체를 얻기 위해 소결후 HIP를 실시한다. 이 HIP는 Ar 분위기에서 1400 내지 2000㎫, 1450 내지 1650℃, 0.5 내지 1시간 정도 실시하는 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명에서 TiC 분말 표면에 균일하게 피복 생성된 TiO₂는 Al₂O₃와 TiC와의 균일한 소결반응 효과를 나타내며, 계면반응의 억제 및 TiO₂첨가 효과도 나타내어 소결온도 저하 효과는 물론 Al₂O₃의 결정 입자의 성장을 억제하여 소결체의 기계적 강도와 내마모, 내열충격성이 증가되므로 본 발명에 의한 소결체는 고속절삭에 특히 유용한 절삭공구로 쓰일 수 있는 특징이 있다.

이때, 소결체의 밀도는 95% TD(True Density)이상이 되도록 하며 그 후 HIP 처리를 통하여 100% TD를 얻는다.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

[실시예 1 내지 5(비교예 1 내지 11)]

평균입경이 0.8 내지 1.5㎛인 TiC 분말과 평균입경이 0.5 내지 1μ인 Al₂O₃분말, 평균입경이 1 내지 5㎛ Y₂O₃분말을 다음 표 1과 같은 조성비로 하여 WC 보올과 WC 단지를 사용하여 24시간동안 균일하게 혼합한 후 건조시킨다.

건조된 케이크는 다시 분쇄기를 통하여 분말의 표면적을 넓히기 위해 미분말이 되도록 분쇄한다. 분쇄된 분말은 TiO₂피복처리로를 통하여 다음 표 1과 같은 조건하에서 TiC 표면층을 TiO₂로 산화시킨다. 이때 사용 기체는 N₂: O₂= 2 : 1(부피비)인 혼합기체이며, 피복처리로내를 흐르는 유량은 0.3 ℓ/min·ℓ로 하였다. 하소된 분말은 다시 유발분쇄기에서 성형조제를 첨가하여 가볍게 분쇄한 후, 1톤/㎠의 압력으로 성형하여 성형체를 제조한 다음, 성형체와 동일조성의 분말속에 매몰하여 Ar 분위기에서 다음 표 1과 같은 조건하에서 소결하였다.

이때 승온속도는 소결이 시작되기 전인 1100℃까지는 10℃/min 정도로 승온을 했으나 이후 1600 내지 1850℃까지는 다음 표 2에서 나타낸 바와 같이 20 내지 100℃/min정도로 급격한 승온을 실시하였다. 상기 소결체는 Ar 분위기에서 HIP 처리를 하여 충분한 밀도를 얻음과 동시에 잔존기공을 제거하였다. 이때 HIP 처리 조건은 Ar 분위기에서 1500㎫, 1600℃, 1시간 동안 실시하였다. 또한 소결체의 상분석은 XRD을 통하여 분석하였으며 소결체의 기계적 특성은 빅커스 인덴터(Vicker's Indenter)를 통하여 Hv와 KIC를 측정하였다.

이와 같은 데이터는 실시예를 기준으로 하여 표 1에 나타내었고 본 발명의 내용과 비교하기 위해 TiC를 전처리(하소)하지 않은 소결체의 공정특성 및 물성특성을 비교예로 나타내었다. 실시예중 XRD상 분석에서 TiO₂가 검출되지 않은 본 발명의 소결체는 그라파이트로(graphite furnance)의 사용에 따른 소결분위기중의 탄소와 반응하여 TiO₂가 TiC로 재전이 된 것으로 추정된다.

[표 1]

Claims

Al₂O₃, TiC 및 Y₂O₃의 혼합원료를 분쇄한 후 소결처리하여 Al₂O₃-TiC계 절삭공구 소결체를 제조하는데 있어서, 미분쇄된 Al₂O₃, TiC 및 Y₂O₃의 혼합분말을 N₂+O₂의 혼합기체로 이루어진 산화분위기속에서 200 내지 500℃의 온도범위에서 0.5 내지 2시간동안 처리하여 TiC 분말표면에 TiO₂피복층을 형성시킨 다음, 이들을 Ar 분위기속에서 1600℃ 내지 1850℃의 온도로 소결처리하여서 되는 것임을 특징으로 하는 Al₂O₃-TiC계 절삭공구 소결체의 제조방법.
Al₂O₃, TiC 및 Y₂O₃의 혼합원료를 분쇄 및 하소시킨후 소결처리하여 Al₂O₃-TiC계 절삭공구 소결체를 제조하는데 있어서, N₂+O₂의 혼합기체로 이루어진 산화분위기 속에서 TiC 분말을 200 내지 500℃의 온도범위로 0.5 내지 2시간동안 처리하여 TiO₂피복층이 형성된 Ti 분말을 Al₂O₃및 Y₂O₃와 혼합시킨 다음, 이들을 Ar 분위기속에서 1600 내지 1850℃의 온도로 소결처리하여서 되는 것임을 특징으로 하는 Al₂O₃-TiC계 절삭공구 소결체의 제조방법.